JVM 的垃圾回收机制以及垃圾回收算法的详解

1、JVM 的垃圾回收机制

2、识别垃圾

2.1、引用计数

2.2、可达性分析

3、垃圾回收算法

3.1、标记-清除

3.2、复制算法

3.3、标记-整理

4、分代回收

1、JVM 的垃圾回收机制

对于程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这三部分区域而言，其生命周期与相关线程有关，随线程而生，随线程而灭。并且这三个区域的内存分配与回收具有确定性，因为当方法结束或者线程结束时，内存就自然跟着线程回收了。

因此有关内存分配和回收关注的为堆区和方法区这两个区域。

垃圾回收，就是回收内存。而 JVM 中的内存又分为好几块：
1、程序计数器，由于程序计数器占用的内存空间小，不需要“垃圾回收”。
2、栈区，局部变量都是在代码块执行结束后自动销毁，这和“垃圾回收”没有关系。
3、元数据区 / 方法区，一般都是涉及到“类加载”，很少涉及到“类卸载”，少量使用到“垃圾回收”。
4、堆区，“垃圾回收”的主要战场。

2、识别垃圾

想要回收垃圾，首先要识别出垃圾。在 Java 中，使用对象一定需要通过引用的方法来使用（除了匿名对象，执行完匿名对象那行代码后，对应的对象就会被当作垃圾），如果一个对象没有任何引用指向它，就视为是无法被代码使用的，即可以当作垃圾。

但是，如果代码复杂一些，这些引用的生命周期各不相同，此时识别垃圾的判定过程就会复杂一些。为了解决这个问题，引入了两种解决方法：

2.1、引用计数

给每个对象安排一个额外的空间，空间里要保存当前这个对象有几个引用。这种思想虽然并没有在 JVM 中使用，但是广泛应用于其他主流语言的垃圾回收机制中（Python、php）。

引用计数机制，是一个简单有效的机制，但是存在两个关键的问题：

问题一：消耗额外的内存空间。
问题二：引用计数可能会产生“循环引用”的问题，此时引用计数就无法正常工作。所谓“循环引用”是指类似于：一个类中的一个成员变量指向另一个类的引用，另一个类中的成员变量同样又指向这个类的引用，当将原先引用类的变量置空，此时引用计数依然不为0。

上述代码出现了问题，此时两个对象的引用计数都不是0，不能被 GC 回收掉，但是这两个对象又无法使用，出现了类似“死锁”的情况，这也是 Java 不用引用计数的原因之一。

2.2、可达性分析

本质上是用“时间”换取“空间”，相比引用计数需要消耗更多的额外空间，但总体来说是可控的，不会产生类似“循环引用”的问题。

在写代码的过程中会定义很多变量，就可以从这些变量作为起点入手，尝试进行“遍历”，所谓遍历就是沿着变量中持有的引用类型的成员，再进一步的往下进行访问。

JVM 中存在专门的扫描线程，会不停的尝试对代码中已有的变量进行遍历，尽可能多的访问到对象。

使用上图举例，root 指向这棵二叉树的根节点，如果代码中出现了 root.right.right = null，此时二叉树与 f 节点断开，无法再使用 root 出发进行遍历操作访问 f 了，此时就说 f 节点为 “不可达” ，即可称为是垃圾；同样的代码中出现 root.right = null，此时二叉树与 c 节点断开，此时无法使用 root 遍历到达 c 节点，自然也无法到达 f 节点，此时就说 c 和 f 都是垃圾。

因此，所有能被访问到的对象，自然就不是垃圾了，反之剩下遍历了一圈也访问不到的对象，就是垃圾。

3、垃圾回收算法

把标记为垃圾的对象的内存空间进行释放，主要的释放方式有三种。

3.1、标记-清除

把标记为垃圾的对象直接释放掉（最朴素的做法），但是会产生内存碎片。如果存在很多内存碎片，很可能导致申请内存空间失败的情况。
因此一般不会使用这种方案，因为“内存碎片问题”是比较致命的。

3.2、复制算法

核心是不直接释放内存，而是把不是垃圾的对象，复制到内存的另外一半中，然后再整体将左则空间整体释放掉。

复制算法确实能够规避内存碎片问题，但是也有缺点：

因为需要留有空间进行复制操作，总的可用内存变少了。
如果每次要复制的对象比较多，此时复制的开销就会很大。（只有当该轮 GC 过程中，有大量对象被释放，少数对象存活，此时才适合使用“复制算法”）

3.3、标记-整理

类似于顺序表删除中间元素的操作（向前搬运），通过这个过程也能够有效解决内存碎片问题，也没有复制算法需要浪费很多空间，但是搬运内存的开销非常大。

由于这三种释放方式都存在各自的问题，因此 JVM 并没有直接使用上述方式，而是结合上述思想取长补短，做出了综合性方案，称为“分代回收”。

4、分代回收

引入了“对象的年龄”这样的概念，JVM 中有专门的线程负责周期性扫描/释放，一个对象如果被线程扫描一次，并且“可达性分析”证明可达（不是垃圾），此时将该对象的年龄属性 + 1（初始年龄为0）。JVM 中根据年龄的差异，将整个堆内存分成两个大的部分，“新时代”和“老年代”。而新生代区中又分为“伊甸区”、“生存区s0”和“生存区s1”。

当代码中 new 出一些对象，这些对象会先被创建在伊甸区，而在伊甸区中的对象，绝大部分会死去，只有少量存活，因此此处的垃圾回收算法使用“复制算法”。

然后经过一轮 GC 扫描后，会有少数存活的对象通过“复制算法”拷贝到生存区（有两个生存区），后续的 GC 扫描线程会对伊甸区和生存区都进行扫描，伊甸区中少数存活的对象同样会进入生存区，而生存区中仍然存活的对象会拷贝到另外一个生存区。

当对象的年龄达到一定阈值（一般情况默认 15 次）并且依然存活时，此时 JVM 就会认为该对象的生命周期大概率很长，就将这个对象从生成区拷贝到老年代区。

而在老年代的对象，GC 扫描的频率会大大降低。在老年代中结束的对象会按照 JVM的“标记整理”或者“标记清除”方法释放内存。

【博主推荐】

对 JVM 的类加载机制以及寻找字节码文件的“双亲委派模型”的理解-CSDN博客https://blog.csdn.net/zzzzzhxxx/article/details/136529700?spm=1001.2014.3001.5501【网络编程】理解客户端和服务器并使用Java提供的api实现回显服务器-CSDN博客https://blog.csdn.net/zzzzzhxxx/article/details/136322678?spm=1001.2014.3001.5501【Java多线程】面试常考——锁策略、synchronized的锁升级优化过程以及CAS（Compare and swap）-CSDN博客https://blog.csdn.net/zzzzzhxxx/article/details/136288256?spm=1001.2014.3001.5501